DE102016108437B4 - METHOD OF DESIGNING A FIELD LIDAR SYSTEM AND MULTI-WAVELENGTH FIELD LIDAR SYSTEM - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Entwerfen eines Lidarfeldsystems (100), wobei das Verfahren umfasst, dass:mehrere Laser (111) in einem Feld (110) angeordnet werden, um mehrere jeweilige Strahlen (112) auszustrahlen;eine Linse (125) angeordnet wird, um die mehreren Strahlen (112) unter mehreren jeweiligen Winkeln zu streuen;ein Bandpassfilter (120) angeordnet wird, um mehrere Reflexionen zu filtern, die bei mehreren jeweiligen Einfallswinkeln empfangen werden und aus den mehreren Strahlen (112) resultieren, die von den mehreren Lasern (111) bei mehreren jeweiligen Ausstrahlungswinkeln ausgestrahlt wurden; undeine Ausstrahlungswellenlänge für jeden der mehreren Strahlen (112) auf der Grundlage der mehreren jeweiligen Ausstrahlungswinkel gewählt wird;dadurch gekennzeichnet , dassdie Ausstrahlungswellenlänge für jeden der mehreren Strahlen (112) auf der Grundlage der mehreren jeweiligen Ausstrahlungswinkel derart gewählt wird, dass sichergestellt wird, dass eine Empfangswellenlänge von jeder der mehreren Reflexionen in einem schmaleren Bereich als einem Bereich der Ausstrahlungswellenlängen liegt;wobei das Wählen der Ausstrahlungswellenlänge umfasst, dass eine niedrigere Ausstrahlungswellenlänge für die Laser (111) unter den mehreren Lasern (111) gewählt wird, die von einem Mittelpunkt des Felds (110) weiter entfernt sind, wobei die mehreren Laser (111) in Übereinstimmung mit einer radialen Distanz von dem Mittelpunkt des Feldes (110) gruppiert werden und eine gleiche Ausstrahlungswellenlänge für die Laser (111) der mehreren Laser (111) gewählt wird, die in einem vordefinierten Bereich von radialen Distanzen von dem Mittelpunkt des Felds (110) aus liegen.A method of designing an array lidar system (100), the method comprising: arranging a plurality of lasers (111) in an array (110) to emit a plurality of respective beams (112); scatter beams (112) at multiple respective angles; a bandpass filter (120) is arranged to filter multiple reflections received at multiple respective angles of incidence and resulting from the multiple beams (112) emitted by the multiple lasers (111) were broadcast at multiple respective broadcast angles; andan emission wavelength for each of the plurality of beams (112) is selected based on the plurality of respective beam angles;characterized in thatthe emission wavelength for each of the plurality of beams (112) is selected based on the plurality of respective beam angles such as to ensure that a A reception wavelength of each of the plurality of reflections is in a narrower range than a range of emission wavelengths;wherein selecting the emission wavelength comprises selecting a lower emission wavelength for the lasers (111) among the plurality of lasers (111) extending from a midpoint of the array (110) are further apart, wherein the multiple lasers (111) are grouped according to a radial distance from the center of the array (110) and an equal emission wavelength is chosen for the lasers (111) of the multiple lasers (111) that are within a predefined range of radial distances from the center of the array (110).

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zum Entwerfen eines Lidarfeldsystems sowie ein Lidarfeld mit mehreren Wellenlängen.The present invention relates to a method according to the preamble of claim 1 for designing an array lidar system and a multi-wavelength array lidar.

Ein gattungsgemäßes Verfahren geht der Art nach im Wesentlichen aus der US 7 773 204 B1 hervor.A generic method is essentially based on the type U.S. 7,773,204 B1 out.

Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die Druckschriften US 2003 / 0 099 009 A1 , US 2013 / 0 194 787 A1 , US 2014 / 0 034 840 A1 und US 2009 / 0 052 050 A1 verwiesen.With regard to the further state of the art, please refer to the publications at this point US 2003 / 0 099 009 A1 , U.S. 2013/0 194 787 A1 , U.S. 2014/0 034 840 A1 and U.S. 2009/0 052 050 A1 referred.

HINTERGRUNDBACKGROUND

Lidar, was als Lichtradar oder als Lichtdetektion und Entfernungsmessung mit einem Laserfeld bezeichnet werden kann, betrifft allgemein das Ausstrahlen von Licht auf ein Objekt und das Empfangen und Verarbeiten einer resultierenden Reflexion. In einem Lidarfeldsystem kann ein Feld aus Lasern verwendet werden, um Reflexionen von einem größeren Sichtfeld zu erhalten, als dies mit einem einzigen Laser möglich ist. In einem aktuellen Lidarfeldsystem strahlen alle Laser des Felds mit der gleichen Wellenlänge aus. Auf der Empfängerseite wird allgemein ein Bandpassfilter verwendet, um die empfangen Reflexionen zu filtern und so viel Sonnenlicht und anderes Störlicht wie möglich fernzuhalten, um den Signalrauschabstand (SNR) zu erhöhen. Der Einfallwinkel der Reflexionen, die aus jedem der Laser resultieren, am Bandpassfilter ist nicht gleich. Da das Bandpassfilter eine Abhängigkeit zwischen Winkel und Wellenlänge aufweist, bedeutet dies, dass die verschiedenen empfangenen Reflexionen (mit der gleichen Wellenlänge bei unterschiedlichen Winkeln ausgestrahlt und bei den unterschiedlichen Einfallswinkeln empfangen) von dem Bandpassfilter nicht mit der gleichen Wellenlänge durchgelassen werden. Stattdessen werden niedrigere Wellenlängen für Reflexionen, die bei höheren Einfallswinkeln empfangen wurden, von dem Bandpassfilter durchgelassen. Es ist folglich wünschenswert, ein Lidarfeldsystem bereitzustellen, das das Empfangen von Reflexionen mit der gleichen Wellenlänge (oder einem sehr schmalen Wellenlängenband) unabhängig vom Einfallswinkel ermöglicht.Lidar, which may be referred to as light radar or as light detection and ranging using a laser array, generally involves projecting light onto an object and receiving and processing a resulting reflection. An array of lasers can be used in an array lidar system to obtain reflections from a larger field of view than is possible with a single laser. In a current array lidar system, all array lasers emit at the same wavelength. A bandpass filter is commonly used on the receiver side to filter the received reflections and keep out as much sunlight and other interfering light as possible to increase the signal-to-noise ratio (SNR). The angle of incidence of the reflections resulting from each of the lasers at the bandpass filter is not the same. Since the bandpass filter has a dependence between angle and wavelength, this means that the different received reflections (emitted with the same wavelength at different angles and received at the different angles of incidence) are not passed by the bandpass filter with the same wavelength. Instead, lower wavelengths for reflections received at higher angles of incidence are passed by the bandpass filter. It is therefore desirable to provide an array lidar system that allows receiving reflections of the same wavelength (or a very narrow band of wavelengths) regardless of the angle of incidence.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNGSUMMARY OF THE INVENTION

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Entwerfen eines Lidarfeldsystems vorgestellt, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 auszeichnet.According to the invention, a method for designing a lidar field system is presented, which is characterized by the features of claim 1.

Ferner wird ein Lidarfeldsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 5 vorgestellt.Furthermore, a lidar field system with the features of claim 5 is presented.

Die vorstehenden Merkmale und Vorteile und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich leicht aus der folgenden genauen Beschreibung der Erfindung, wenn sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen wird.The foregoing features and advantages and other features and advantages of the invention are readily apparent from the following detailed description of the invention when read in connection with the accompanying drawings.

Figurenlistecharacter list

Andere Merkmale, Vorteile und Details erscheinen nur als Beispiel in der folgenden genauen Beschreibung von Ausführungsformen, wobei die genaue Beschreibung auf die Zeichnungen Bezug nimmt, in denen:

• 1 ein Blockdiagramm eines Lidarfeldsystems in Übereinstimmung mit Ausführungsformen ist;
• 2 den Winkel zeigt, der in Übereinstimmung mit Ausführungsformen verwendet wird, um die Wellenlänge für die Ausstrahlung zu bestimmen;
• 3 beispielhafte Werte für ausgestrahlte Wellenlängen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen zeigt; und
• 4 das Lidarfeld und entsprechende Bereiche der Ausstrahlungswellenlänge in Übereinstimmung mit Abstandsbereichen in Übereinstimmung mit Ausführungsformen zeigt.

Other features, advantages and details appear by way of example only in the following detailed description of embodiments, which detailed description makes reference to the drawings, in which:

• 1 Figure 12 is a block diagram of an array lidar system in accordance with embodiments;
• 2 shows the angle used in accordance with embodiments to determine the wavelength for transmission;
• 3 FIG. 4 shows example values for emitted wavelengths in accordance with embodiments; FIG. and
• 4 12 shows the array lidar and corresponding ranges of emission wavelength in accordance with distance ranges in accordance with embodiments.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMENDESCRIPTION OF THE EMBODIMENTS

Wie vorstehend erwähnt wurde, wird ein Bandpassfilter allgemein als Eingang für die Empfängerseite eines Lidarfeldsystems verwendet. Das Bandpassfilter ist so entworfen, dass es Wellenlängen durchlässt, die den Laserausstrahlungen zugeordnet sind, aber andere Wellenlängen nicht durchlässt. Da Sonnenlicht in allen Wellenlängen vorkommt, wird umso mehr Sonnenlicht durchgelassen, je breiter der Durchlassbereich des Bandpassfilters ist. Aus dem Blickwinkel des Abhaltens von Sonnenlicht, um einen Signalrauschabstand der empfangenen Reflexionen zu erhöhen, ist folglich ein Durchlassbereich des Bandpassfilters wünschenswert, der so schmal wie möglich ist. Andererseits muss der Durchlassbereich des Bandpassfilters breit genug sein, um die Wellenlängen von allen Reflexionen zu umfassen, die aus ausgestrahlten Laserstrahlen resultieren. Im Fall eines typischen Lidarfeldsystems strahlen alle Laser mit in etwa der gleichen Wellenlänge aus. Da das Bandpassfilter jedoch eine Abhängigkeit zwischen Winkel und Wellenlänge aufweist, werden nicht alle Reflexionen bei allen verschiedenen Einfallswinkeln mit in etwa der gleichen Wellenlänge von dem Bandpassfilter durchgelassen. Stattdessen werden, auch wenn alle ausgestrahlten Signale die gleiche Wellenlänge aufweisen, empfangene Reflexionen mit von 0 Grad (senkrecht) verschiedenen Einfallswinkeln im Vergleich mit empfangenen Reflexionen, die senkrecht zu der Bandpassfilterschnittstelle eintreffen, mit proportional verschiedenen Wellenlängen durchgelassen. Aus dem Blickwinkel des Empfangens aller Reflexionen, die aus Laserausstrahlungen resultieren, ist folglich ein so breiter Durchlassbereich wünschenswert, wie er von dem Bandpassfilter benötigt wird. Hier im Detail beschriebene Ausführungsformen der Systeme und Verfahren betreffen das Justieren der ausgestrahlten Wellenlängen nach Bedarf, um die Verwendung eines schmalen Durchlassbereichs für das Bandpassfilter zu ermöglichen. Die Ausführungsformen sprechen die einander entgegengesetzten Interessen von existierenden Lidarfeldsystemen an, den Durchlassbereich des Bandpassfilters zur Ausfilterung von Sonnenlicht zu verringern und den Durchlassbereich zu erhöhen, damit alle Reflexionen empfangen werden können.As mentioned above, a bandpass filter is commonly used as an input to the receiver side of an array lidar system. The bandpass filter is designed to pass wavelengths associated with the laser emissions but not other wavelengths. Since sunlight comes in all wavelengths, the wider the passband of the bandpass filter, the more sunlight will pass through. Therefore, from the viewpoint of cutting off sunlight, in order to increase a signal-to-noise ratio of the received reflections, a passband of the bandpass filter that is as narrow as possible is desirable. On the other hand, the passband of the bandpass filter must be wide enough to encompass the wavelengths of any reflections resulting from emitted laser beams. In the case of a typical array lidar system, all lasers emit at approximately the same wavelength. However, because the bandpass filter has an angle-wavelength dependence, not all reflections at all different angles of incidence with approximately the same wavelength will be passed by the bandpass filter. Instead, even if all off radiated signals have the same wavelength, received reflections with angles of incidence different from 0 degrees (perpendicular) are passed compared to received reflections arriving normal to the bandpass filter interface with proportionally different wavelengths. Hence, from the point of view of receiving all reflections resulting from laser emissions, as wide a passband as required by the bandpass filter is desirable. Embodiments of the systems and methods described in detail herein relate to adjusting the emitted wavelengths as needed to enable use of a narrow passband for the bandpass filter. The embodiments address the conflicting interests of existing array lidar systems of reducing the passband of the bandpass filter to filter out sunlight and increasing the passband to allow all reflections to be received.

1 ist ein Blockdiagramm eines Lidarfeldsystems 100 in Übereinstimmung mit Ausführungsformen. Ein Lidarfeld 110 enthält ein Feld aus Lasern 111. Jeder Laser 111 kann ein Oberflächenemitter-Laser (VCSEL-Laser, VCSEL von verticalcavity surface-mitting laser) sein. Ein VCSEL ist eine auf Halbleitern beruhende Laserdiode, die wie gezeigt einen optischen Strahl vertikal aus ihrer oberen Oberfläche emittiert. Die von jedem Laser 111 (z.B. VCSEL) emittierten Laserstrahlen 112 bilden ein Sichtfeld. Ziele 115a - 115c (allgemein 115) im Sichtfeld des Lidarfelds 110 führen zu Reflexionen 116, die an einem Bandpassfilter (BPF) 120 empfangen werden. Die Reflexionen 116 im Sichtfeld 117 der Empfangsseite des Lidarfeldsystems 100 werden von dem BPF 120 gefiltert und durch eine Linse 125 hindurch auf eine Lawinenfotodiode (APD) 135 fokussiert, welche das empfangene und gefilterte Licht in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses elektrische Signal wird an ein Verarbeitungssystem 130 geliefert. Das Verarbeitungssystem 130 kann das Signal erzeugen, das schließlich als Laserstrahlen 112 emittiert wird. Das erzeugte Signal kann durch einen Amplitudenmodulator 105 hindurchlaufen, bevor es das Lidarfeld 110 erreicht. Wie 1 anzeigt, kann Licht von der Sonne 140 die Reflexionen 116 von den Zielen 115 beeinflussen. 1 10 is a block diagram of an array lidar system 100 in accordance with embodiments. An array lidar 110 includes an array of lasers 111. Each laser 111 may be a vertical cavity surface-mitting laser (VCSEL). A VCSEL is a semiconductor-based laser diode that emits an optical beam vertically from its top surface as shown. The laser beams 112 emitted by each laser 111 (eg VCSEL) form a field of view. Targets 115a - 115c (generally 115) in the field of view of the array lidar 110 result in reflections 116 which are received at a band pass filter (BPF) 120 . The reflections 116 in the field of view 117 of the receiving side of the array lidar system 100 are filtered by the BPF 120 and focused through a lens 125 onto an avalanche photodiode (APD) 135, which converts the received and filtered light into an electrical signal. This electrical signal is provided to a processing system 130 . The processing system 130 can generate the signal that is ultimately emitted as laser beams 112 . The generated signal may pass through an amplitude modulator 105 before reaching the array lidar 110 . How 1 indicates, light from the sun 140 may affect the reflections 116 from the targets 115.

Wie 1 anzeigt, weisen die verschiedenen Reflexionen 116 unterschiedliche Einfallswinkel mit dem BPF 120 auf. Aufgrund der Abhängigkeit zwischen Winkel und Wellenlänge des BPF 120 würden Laserstrahlen 112, die mit nahezu der gleichen Wellenlänge ausgestrahlt werden, auf der Grundlage ihres speziellen Einfallswinkels an dem BPF 120 unterschiedliche Wellenlängen an dem BPF 120 aufweisen. Um all diese Reflexionen 116 zu erfassen, müsste der Durchlassbereich des BPF 120 breit genug sein. Jedoch könnte eine Folge eines breiteren Durchlassbereichs sein, dass Wellenlängen in den Reflexionen 116, die dem Sonnenlicht zugeordnet sind, ebenfalls durchgelassen werden können und den SNR verringern können. In Übereinstimmung mit den Ausführungsformen hierin werden die Laserstrahlen 112 nicht alle mit nahezu der gleichen Wellenlänge ausgestrahlt. Stattdessen werden die Winkel beim Ausstrahlen berücksichtigt, um die Wellenlängen des Reflexionen 116 an den unterschiedlichen Einfallswinkeln nahezu gleich zu machen oder innerhalb eines schmalen Frequenzbands zu halten. Dies ermöglicht einen schmalen Durchlassbereich für das BPF 120, der dazu führt, dass weniger dem Sonnenlicht zugeordnete Wellenlängen durch das BPF 120 hindurchgelassen werden. Da ein schmales BPF 120 verwendet werden kann, kann ein Einzelphoton-Lawinendetektor (SPAD, SPAD von single photon Avalance detector), der empfindlich für Sonnenlicht ist, als Lawinenfotodiode 135 verwendet werden. Ein Lawinendetektor enthält einen internen Verstärker und ist empfindlicher als eine Pin-Diode, die auch als optischer Detektor verwendet wird. Die erhöhte Empfindlichkeit kann den Lawinendetektor auch anfällig für eine Sättigung aufgrund von Sonnenlicht oder eines anderen Umgebungslichts machen. Indem das BPF 120 in Übereinstimmung mit Ausführungsformen hierin verwendet wird, um das Sonnenlicht und anderes Umgebungslicht anzusprechen (auszufiltern), kann ein SPAD, der sogar noch empfindlicher als ein Lawinendetektor ist, als Lawinendiode 135 verwendet werden. Die Wellenlänge, die von den verschiedenen Lasern 111 des Lidarfelds ausgestrahlt werden muss, um den schmalen Durchlassbereich des BPF 120 zu ermöglichen, kann quantitativ bestimmt werden, wie nachstehend im Detail beschrieben wird. In Übereinstimmung mit alternativen Ausführungsformen kann stattdessen ein Entwurf mit optischen Freiformflächen angewendet werden. Das heißt, dass Wellenlängen allgemein auf der Grundlage von Ausstrahlungswinkeln in Übereinstimmung mit dem Prinzip gewählt werden können, dass Laserstrahlen 112, die bei höheren Winkeln ausgestrahlt werden (welche zu höheren Einfallswinkeln der Reflexionen 116 führen) mit niedrigeren Wellenlängen als Laserstrahlen 112 ausgestrahlt werden sollen, die bei niedrigeren Winkeln ausgestrahlt werden, um zu erreichen, dass alle Reflexionen 116 in einem schmalen Wellenlängenbereich liegen.How 1 indicates, the various reflections 116 have different angles of incidence with the BPF 120. Due to the dependence between the angle and wavelength of the BPF 120, laser beams 112 emitted at nearly the same wavelength would have different wavelengths at the BPF 120 based on their particular angle of incidence at the BPF 120. FIG. In order to capture all of these reflections 116, the passband of the BPF 120 would need to be wide enough. However, a consequence of a wider passband could be that wavelengths in the reflections 116 associated with sunlight may also be transmitted and reduce SNR. In accordance with the embodiments herein, the laser beams 112 are not all emitted at nearly the same wavelength. Instead, the angles of emission are considered to make the wavelengths of the reflections 116 at the different angles of incidence nearly the same or within a narrow frequency band. This allows for a narrow passband for the BPF 120, resulting in fewer wavelengths associated with sunlight being transmitted through the BPF 120. Since a narrow BPF 120 can be used, a single photon avalanche detector (SPAD) sensitive to sunlight can be used as the avalanche photodiode 135 . An avalanche detector contains an internal amplifier and is more sensitive than a pin diode, which is also used as an optical detector. The increased sensitivity can also make the avalanche detector prone to saturation due to sunlight or other ambient light. By using the BPF 120 in accordance with embodiments herein to address (filter out) the sunlight and other ambient light, a SPAD that is even more sensitive than an avalanche detector can be used as the avalanche diode 135 . The wavelength that must be emitted by the various lasers 111 of the array lidar to accommodate the narrow passband of the BPF 120 can be quantified, as will be described in detail below. In accordance with alternative embodiments, a free-form optical surface design may be employed instead. That is, wavelengths can generally be chosen on the basis of emission angles in accordance with the principle that laser beams 112 emitted at higher angles (resulting in higher angles of incidence of reflections 116) should be emitted at lower wavelengths than laser beams 112. that are emitted at lower angles to achieve that all reflections 116 are in a narrow wavelength range.

Die Wellenlänge jedes ausgestrahlten Laserstrahls 112 kann quantitativ gewählt werden auf der Grundlage von: $${\lambda }_{\varphi }={\lambda }_0\sqrt{\left(1-{\left(\frac{n_0}{n*}\right)}^2{\text{sin}}^2\varphi \right)}$$

The wavelength of each emitted laser beam 112 can be selected quantitatively based on: $${\lambda }_{\varphi }={\lambda }_0\sqrt{\left(1-{\left(\frac{n_0}{n*}\right)}^2{\text{<figure-callout id="2" label="sin" filenames="DE102016108437B4\_0011.png" state="{{state}}">sin</figure-callout>}}^2\varphi \right)}$$

In Gleichung 1 ist ϕ der Einfallswinkel, λ_ϕ die Wellenlänge bei dem Einfallswinkel, λ₀ ist die Wellenlänge am BPF 120, wenn der Einfallswinkel ϕ der Reflexion 116 0 Grad ist. Der Brechungsindex des Mediums, das das BPF 120 umgibt, ist als n₀ angezeigt, und der effektive Brechungsindex n* für das BPF 120 ist festgelegt und beruht auf dem Dünnfilmmaterial des BPF 120. Das heißt, dass Gleichung 1 die Wellenlänge (λ_ϕ), die sich an dem BPF 120 ergibt, auf der Grundlage der ausgestrahlten Wellenlänge (λ₀) und des Einfallswinkels ϕ angibt. Während der Einfallswinkel ϕ in Übereinstimmung mit dem Aufenthaltsort jedes Lasers 111 innerhalb des Lidarfelds 110 festgelegt ist, kann die ausgestrahlte Wellenlänge (λ₀) justiert werden, um sicherzustellen, dass der Wert der empfangenen Wellenlänge (λ_ϕ) am BPF 120 innerhalb eines gewünschten Bereichs liegt. Um folglich Gleichung 1 zum Bestimmen der Wellenlänge der Ausstrahlung (λ₀) an jedem Laser 111 zu verwenden, muss der Einfallswinkel ϕ, der jedem Laser 111 zugeordnet ist, bestimmt werden. Dies wird mit Bezug auf 2 erörtert.In Equation 1, φ is the angle of incidence, λ _φ is the wavelength at the angle of incidence, λ ₀ is the wavelength at the BPF 120 when the angle of incidence φ of the reflection 116 is 0 degrees. The index of refraction of the medium surrounding the BPF 120 is indicated as n ₀ and the effective index of refraction n* for the BPF 120 is fixed and based on the thin film material of the BPF 120. That is, Equation 1 gives the wavelength (λ _ϕ ) that occurs at the BPF 120 based on the radiated wavelength (λ ₀ ) and the angle of incidence φ. While the angle of incidence ϕ is fixed in accordance with the location of each laser 111 within the array lidar 110, the emitted wavelength (λ ₀ ) can be adjusted to ensure that the value of the received wavelength (λ _ϕ ) at the BPF 120 is within a desired range lies. Thus, in order to use Equation 1 to determine the wavelength of emission (λ ₀ ) at each laser 111, the angle of incidence φ associated with each laser 111 must be determined. This is with reference to 2 discussed.

2 zeigt in Übereinstimmung mit Ausführungsformen den Winkel, der verwendet wird, um die Wellenlänge für die Ausstrahlung zu ermitteln. Der Winkel α 220 eines ausgestrahlten Laserstrahls 112 (relativ zu einer Linie senkrecht zu einem Querschnitt des Lidarfelds 110) ist auch der Einfallswinkel ϕ der resultierenden Reflexion 116 und er ist gegeben durch: $$\alpha =2\text{ arctan}\frac{d}{2ƒ}$$

2 FIG. 12 shows the angle used to determine the wavelength for emission, in accordance with embodiments. The angle α 220 of an emitted laser beam 112 (relative to a line perpendicular to a cross-section of the array lidar 110) is also the angle of incidence ϕ of the resulting reflection 116 and is given by: $$a=2\text{arctan}\frac{\mathrm{i.e}}{2ƒ}$$

In Gleichung 2 ist d die Distanz 230 von einem gegebenen Laser 111 n des Lidarfelds 110 zu dem Mittelpunkt des Lidarfelds 110 (bei dem eine Ausstrahlung senkrecht zu dem Querschnitt des Lidarfelds 110 ist). Außerdem ist f in Gleichung 2 die Brennweite 210 einer Linse des Lidarfelds 110, die allgemein in 2 angezeigt ist.In Equation 2, d is the distance 230 from a given laser 111 n of the array lidar 110 to the center of the array lidar 110 (where an emission is perpendicular to the cross section of the array lidar 110). Also, f in Equation 2 is the focal length 210 of a lens of the array lidar 110, generally found in 2 is displayed.

3 zeigt beispielhafte Werte für eine ausgestrahlte Wellenlänge 310 in Übereinstimmung mit Ausführungsformen. Eine graphische Darstellung 320 veranschaulicht die Beziehung zwischen einem Winkel α 220 in Grad (auf der x-Achse gezeigt) und der ausgestrahlten Wellenlänge 310 in Nanometer (nm) (auf der y-Achse gezeigt), die benötigt wird, um die Wellenlänge der Reflexion 116 an dem BPF 120 bei konstant 850 nm zu halten. Bei einer Brennweite 210 von 25 mm ist die graphische Darstellung 320 durch die Gleichung gegeben: $$y=-0.0295x^2+0.375x+850.08$$

3 3 shows example values for an emitted wavelength 310, in accordance with embodiments. A plot 320 illustrates the relationship between an angle α 220 in degrees (shown on the x-axis) and the emitted wavelength 310 in nanometers (nm) (shown on the y-axis) needed to obtain the wavelength of reflection 116 at the BPF 120 at a constant 850 nm. At a focal length 210 of 25mm, the plot 320 is given by the equation: $$y=-0.0295x^2+0.375x+850.08$$

Eine graphische Darstellung 330 veranschaulicht die Beziehung zwischen einer Distanz 230 in Millimeter (mm) (auf der x-Achse gezeigt) und der ausgestrahlten Wellenlänge 310 (auf der y-Achse gezeigt), um die Wellenlänge der Reflexion 116 an dem BPF 120 bei konstant 850 nm zu halten. Die graphische Darstellung 330 ist durch die Gleichung gegeben: $$y=-0.7891x^2-0.2235x+850.09$$

A plot 330 illustrates the relationship between a distance 230 in millimeters (mm) (shown on the x-axis) and the emitted wavelength 310 (shown on the y-axis) around the wavelength of the reflection 116 at the BPF 120 at constant 850nm to hold. The plot 330 is given by the equation: $$y=-0.7891x^2-0.2235x+850.09$$

Wie die graphischen Darstellungen 320 und 330 anzeigen, muss die ausgestrahlte Wellenlänge 310 verringert werden (von der zentralen Wellenlänge von 850 nm aus), wenn die Distanz 230 (und damit der Winkel α 220) zunimmt, um einen schmalen Durchlassbereich am BPF 120 zu ermöglichen. Die Werte in 3 beruhen auf einer Brennweite 210 von 25 mm.As plots 320 and 330 indicate, the emitted wavelength 310 must be reduced (from the central wavelength of 850 nm) as distance 230 (and hence angle α 220) increases to allow for a narrow passband at BPF 120 . The values in 3 are based on a focal length 210 of 25 mm.

4 zeigt das Lidarfeld 110 und entsprechende Bereiche 310 mit Ausstrahlungswellenlängen in Übereinstimmung mit Bereichen 410a bis 410d der Distanz 230 in Übereinstimmung mit Ausführungsformen. Das heißt, dass vier radiale Distanzen 230 von dem Mittelpunkt des Lidarfelds 110 aus als 230a, 230b, 230c und 230d angezeigt sind. Die graphische Darstellung 330, welche die Distanz 230 und die entsprechende ausgestrahlte Wellenlänge 310 zeigt, ist erneut gezeigt, wobei die Distanzen 230a bis 230d durch die entsprechenden Farbblöcke angezeigt sind. Es sind auch ausgestrahlte Wellenlängen 310a bis 310d angezeigt, die jeder der Distanzen 230a bis 230d entsprechen. Das heißt, dass die ausgestrahlte Wellenlänge 310 für Laser 111 innerhalb einer gegebenen radialen Distanz 230a die Wellenlänge 310a ist. Die ausgestrahlte Wellenlänge 310 für Laser 111 zwischen einer radialen Distanz 230a und einer Distanz 230b ist eine Wellenlänge 310b. Die ausgestrahlte Wellenlänge 310 für Laser 111 zwischen radialen Distanzen 230b und 230c ist eine Wellenlänge 310c. Die ausgestrahlte Wellenlänge 310 für Laser 111 zwischen den radialen Distanzen 230c und 230d ist eine Wellenlänge 310d. folglich würde ein Laser 111 m mit der Wellenlänge 310a ausstrahlen und ein Laser 111n würde mit einer Wellenlänge 310d ausstrahlen. Wie mit Bezug auf 3 erwähnt wurde, nimmt die ausgestrahlte Wellenlänge 310 ab, wenn die Distanz 230 zunimmt. Obwohl das vorstehende Beispiel vier Distanzen 230a bis 230d von dem Mittelpunkt des Lidarfelds 110 aus betrachtet, kann eine gröbere oder feinere Granulierung verwendet werden, um die ausgestrahlten Wellenlängen 310 zu bestimmen. Die Granularität, mit welcher Distanzbereiche gewählt werden, kann auf der gewünschten Schmalheit des Durchlassbereichs BPF 120 beruhen. 4 12 shows array lidar 110 and corresponding ranges 310 with emission wavelengths corresponding to ranges 410a-410d of standoff 230, in accordance with embodiments. That is, four radial distances 230 from the center of the array lidar 110 are indicated as 230a, 230b, 230c, and 230d. The plot 330 showing the distance 230 and the corresponding emitted wavelength 310 is shown again, with the distances 230a through 230d indicated by the corresponding color blocks. Also indicated are radiated wavelengths 310a through 310d corresponding to each of the distances 230a through 230d. That is, the emitted wavelength 310 for laser 111 within a given radial distance 230a is wavelength 310a. The radiated wavelength 310 for laser 111 between radial distance 230a and distance 230b is wavelength 310b. The emitted wavelength 310 for laser 111 between radial distances 230b and 230c is wavelength 310c. The emitted wavelength 310 for laser 111 between radial distances 230c and 230d is wavelength 310d. thus, a laser 111m would emit at wavelength 310a and a laser 111n would emit at wavelength 310d. As related to 3 mentioned above, the emitted wavelength 310 decreases as the distance 230 increases. Although the above example considers four distances 230a - 230d from the center of the array lidar 110 , coarser or finer granularity may be used to determine the emitted wavelengths 310 . The granularity with which ranges are chosen may be based on the desired narrowness of the passband BPF 120 .

Claims (7)

Verfahren zum Entwerfen eines Lidarfeldsystems (100), wobei das Verfahren umfasst, dass: mehrere Laser (111) in einem Feld (110) angeordnet werden, um mehrere jeweilige Strahlen (112) auszustrahlen; eine Linse (125) angeordnet wird, um die mehreren Strahlen (112) unter mehreren jeweiligen Winkeln zu streuen; ein Bandpassfilter (120) angeordnet wird, um mehrere Reflexionen zu filtern, die bei mehreren jeweiligen Einfallswinkeln empfangen werden und aus den mehreren Strahlen (112) resultieren, die von den mehreren Lasern (111) bei mehreren jeweiligen Ausstrahlungswinkeln ausgestrahlt wurden; und eine Ausstrahlungswellenlänge für jeden der mehreren Strahlen (112) auf der Grundlage der mehreren jeweiligen Ausstrahlungswinkel gewählt wird; dadurch gekennzeichnet , dass die Ausstrahlungswellenlänge für jeden der mehreren Strahlen (112) auf der Grundlage der mehreren jeweiligen Ausstrahlungswinkel derart gewählt wird, dass sichergestellt wird, dass eine Empfangswellenlänge von jeder der mehreren Reflexionen in einem schmaleren Bereich als einem Bereich der Ausstrahlungswellenlängen liegt; wobei das Wählen der Ausstrahlungswellenlänge umfasst, dass eine niedrigere Ausstrahlungswellenlänge für die Laser (111) unter den mehreren Lasern (111) gewählt wird, die von einem Mittelpunkt des Felds (110) weiter entfernt sind, wobei die mehreren Laser (111) in Übereinstimmung mit einer radialen Distanz von dem Mittelpunkt des Feldes (110) gruppiert werden und eine gleiche Ausstrahlungswellenlänge für die Laser (111) der mehreren Laser (111) gewählt wird, die in einem vordefinierten Bereich von radialen Distanzen von dem Mittelpunkt des Felds (110) aus liegen.A method of designing an array lidar system (100), the method comprising: arranging a plurality of lasers (111) in an array (110). to emit a plurality of respective beams (112); arranging a lens (125) to diverge the plurality of beams (112) at a plurality of respective angles; arranging a bandpass filter (120) to filter a plurality of reflections received at a plurality of respective angles of incidence and resulting from the plurality of beams (112) emitted from the plurality of lasers (111) at a plurality of respective emission angles; and selecting an emission wavelength for each of the plurality of beams (112) based on the plurality of respective emission angles; characterized in that the emission wavelength for each of the plurality of beams (112) is selected based on the plurality of respective emission angles such as to ensure that a reception wavelength of each of the plurality of reflections is in a narrower range than a range of emission wavelengths; wherein selecting the emission wavelength comprises selecting a lower emission wavelength for the lasers (111) among the plurality of lasers (111) that are farther from a center point of the array (110), the plurality of lasers (111) in accordance with a radial distance from the center of the array (110) and an equal emission wavelength is chosen for the lasers (111) of the plurality of lasers (111) that are within a predefined range of radial distances from the center of the array (110). . Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst, dass jeder der mehreren jeweiligen Ausstrahlungswinkel bestimmt wird als: $$\alpha =2\text{ arctan}\frac{d}{2ƒ},$$

wobei α der Ausstrahlungswinkel ist, d eine Distanz von einem Mittelpunkt des Feldes (110) aus zu dem jeweiligen Laser (111) von den mehreren Lasern (111) ist, und f eine Brennweite der Linse (125) ist, wobei das Wählen der Ausstrahlungswellenlänge von jedem der mehreren Strahlen (112) umfasst, dass eine niedrigere Wellenlänge für die Laser (111) unter den mehreren Lasern (111) auf der Grundlage dessen gewählt wird, dass der jeweilige Ausstrahlungswinkel größer ist.procedure after claim 1 , further comprising determining each of the plurality of respective beam angles as: $$a=2\text{arctan}\frac{\mathrm{i.e}}{2ƒ},$$

where α is the emission angle, d is a distance from a center of the array (110) to the respective laser (111) of the plurality of lasers (111), and f is a focal length of the lens (125), wherein the selecting the emission wavelength of each of the plurality of beams (112) comprises selecting a lower wavelength for the lasers (111) among the plurality of lasers (111) based on each beam angle being larger. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wählen der Ausstrahlungswellenlänge auf der Grundlage der Empfangswellenlänge für jede der mehreren Reflexionen gegeben ist durch: $${\lambda }_{\varphi }={\lambda }_0{\left(1-{\left(\frac{n_0}{n*}\right)}^{2}Si{n}^2\varphi \right)}^{1/2},$$

wobei für jede Reflexion aus den mehreren Reflexionen λ₀ die Empfangswellenlänge ist, die einem Einfallswinkel von 0 Grad aus den mehreren Einfallswinkeln zugeordnet ist, n₀ der Brechungsindex eines Mediums ist, welches das Bandpassfilter (120) umgibt, n* ein effektiver Brechungsindex des Bandpassfilters (120) ist, und ϕ der Einfallswinkel aus den mehreren Einfallswinkeln ist, der der Reflexion aus den mehreren Reflexionen zugeordnet ist.procedure after claim 1 , where for each of the plurality of reflections, choosing the transmission wavelength based on the reception wavelength is given by: $${\lambda }_{\varphi }={\lambda }_0{\left(1-{\left(\frac{n_0}{n*}\right)}^{2}Si{n}^2\varphi \right)}^{1/2},$$

where for each reflection from the plurality of reflections, λ ₀ is the receive wavelength associated with a 0 degree angle of incidence from the plurality of angles of incidence, n ₀ is the index of refraction of a medium surrounding the bandpass filter (120), n* is an effective index of refraction of the bandpass filter (120) and φ is the angle of incidence from the plurality of angles of incidence associated with the reflection from the plurality of reflections. Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Wählen der Ausstrahlungswellenlänge umfasst, dass ein Wert für λ₀ gesucht wird, um eine gewünschte λ_ϕ zu erhalten.procedure after claim 3 , wherein selecting the transmission wavelength comprises finding a value for λ ₀ to obtain a desired λ _φ . Lidarfeldsystem (100) mit mehreren Wellenlängen, umfassend: mehrere Laser (111), die in einem Feld (110) angeordnet sind, wobei die mehreren Laser (111) ausgestaltet sind, um mehrere jeweilige Strahlen (112) bei mehreren jeweiligen Ausstrahlungswinkeln und jeweiligen Ausstrahlungswellenlängen auszustrahlen; und ein Bandpassfilter (120), das ausgestaltet ist, um mehrere Reflexionen zu filtern, die bei mehreren Einfallswinkeln empfangen wurden, und die aus den mehreren Strahlen (112) resultieren, die bei den mehreren Ausstrahlungswinkeln ausgestrahlt wurden, wobei die Ausstrahlungswellenlänge von jedem der mehreren Laser (111) auf der Grundlage der mehreren jeweiligen Ausstrahlungswinkel gewählt wird, um sicherzustellen, dass eine Empfangswellenlänge von jeder der mehreren Reflexionen in einem schmaleren Bereich als dem Bereich der Ausstrahlungswellenlängen liegt, wobei die Ausstrahlungswellenlänge der Laser (111) aus den mehreren Lasern (111), die von einem Mittelpunkt des Felds (110) weiter entfernt sind, niedriger ist als die Ausstrahlungswellenlänge der Laser (111) aus den mehreren Lasern (111), die näher bei dem Mittelpunkt des Felds (110) liegen, und wobei die Ausstrahlungswellenlänge der Laser (111) aus den mehreren Lasern (111), die innerhalb eines Bereichs von radialen Distanzen zu dem Mittelpunkt des Felds (110) liegen, eine gleiche Wellenlänge ist. A multi-wavelength array lidar system (100), comprising: a plurality of lasers (111) arranged in an array (110), the plurality of lasers (111) being configured to emit a plurality of respective beams (112) at a plurality of respective emission angles and respective emission wavelengths; and a bandpass filter (120) configured to filter multiple reflections received at multiple angles of incidence resulting from the multiple beams (112) emitted at the multiple emission angles, the emission wavelength of each of the plurality of lasers (111) is selected based on the plurality of respective emission angles to ensure that a reception wavelength of each of the plurality of reflections is in a narrower range than the range of emission wavelengths, wherein the emission wavelength of the lasers (111) out of the plurality of lasers (111) that are farther from a center of the array (110) is lower than the emission wavelength of the lasers (111) out of the plurality of lasers (111) that are closer to the center of the array (110), and the emission wavelength of the lasers (111) from the multiple lasers (111) that are within a range of radial distances from the center of the array (110) is a same wavelength. Lidarfeldsystem (100) nach Anspruch 5, wobei jeder der mehreren jeweiligen Ausstrahlungswinkel gegeben ist durch: $$\alpha =2\text{ arctan}\frac{d}{2ƒ},$$

wobei α derAusstrahlungswinkel ist, d eine Distanz von einem Mittelpunkt des Feldes (110) zu dem jeweiligen Laser (111) aus den mehreren Lasern (111) ist, und f eine Brennweite einer Linse (125) des Felds (110) ist, und wobei die Ausstrahlungswellenlänge der Laser (111) aus den mehreren Lasern (111) auf der Grundlage dessen niedriger ist, dass der jeweilige Ausstrahlungswinkel größer ist.Field lidar system (100) according to claim 5 , where each of the plurality of respective beam angles is given by: $$a=2\text{arctan}\frac{\mathrm{i.e}}{2ƒ},$$

where α is the emission angle, d is a distance from a center point of the array (110) to the respective one of the plurality of lasers (111). (111), and f is a focal length of a lens (125) of the array (110), and wherein the emission wavelength of the lasers (111) out of the plurality of lasers (111) is lower on the basis that the respective emission angle is larger . Lidarfeldsystem (100) nach Anspruch 5, wobei die Empfangswellenlänge für jede der mehreren Reflexionen gegeben ist durch: $${\lambda }_{\varphi }={\lambda }_0{\left(1-{\left(\frac{n_0}{n*}\right)}^{2}Si{n}^2\varphi \right)}^{1/2},$$

wobei für jede Reflexion aus den mehreren Reflexionen λ₀ die Empfangswellenlänge ist, die einem Einfallswinkel von 0 Grad aus den mehreren Einfallswinkeln zugeordnet ist, n₀ der Brechungsindex eines Mediums ist, das das Bandpassfilter (120) umgibt, n* ein effektiver Brechungsindex des Bandpassfilters (120) ist, und ϕ der Einfallswinkel aus den mehreren Einfallswinkeln ist, welcher der Reflexion aus den mehreren Reflexionen zugeordnet ist.Lidar field system (100) according to claim 5 , where the reception wavelength for each of the multiple reflections is given by: $${\lambda }_{\varphi }={\lambda }_0{\left(1-{\left(\frac{n_0}{n*}\right)}^{2}Si{n}^2\varphi \right)}^{1/2},$$

where for each reflection from the plurality of reflections, λ ₀ is the receive wavelength associated with a 0 degree angle of incidence from the plurality of angles of incidence, n ₀ is the index of refraction of a medium surrounding the bandpass filter (120), n* is an effective index of refraction of the bandpass filter (120) and φ is the angle of incidence from the plurality of angles of incidence associated with the reflection from the plurality of reflections.

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